(57)【要約】【課題】長尺方向の長さが１ｍを越える、照射強度が均一な線上ビームを照射することができ、効率的なパターニング加工を行なうことができる、レーザ加工装置を提供する。【解決手段】レーザ光源を含み、複数のレーザ光を出力するレーザ出力手段１０１と、複数のレーザ光をそれぞれ、長尺かつ長尺側発散光である長尺ビームに整形する光学系１０３，１０４と、長尺ビームをマスキングして所定の形状で透過させる複数のマスクスリット１０９と、レーザ光が照射される被照射物１１１の上面と平行な２次元方向に、マスクスリット１０９を移動させるマスクスリット移動手段とを備える。【選択図】図１
2010105012.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光源を含み、複数のレーザ光を出力するレーザ出力手段と、
複数のレーザ光をそれぞれ、長尺かつ長尺側発散光である長尺ビームに整形する光学系と、
前記長尺ビームをマスキングして所定の形状で透過させる複数のマスクスリットと、
レーザ光が照射される被照射物の上面と平行な２次元方向に、前記マスクスリットを移動させるマスクスリット移動手段とを備え、
前記マスクスリットはそれぞれ、各レーザ光の発散経路中において、隣り合うマスクスリット同士が長手方向を揃えて互いに間隔を隔てて配置され、
前記マスクスリット移動手段により前記マスクスリットを移動させることによって、被照射物上の前記長尺ビームの位置が調整され、
隣り合う前記長尺ビームが互いに一部を重複して連結されることにより、均一な照射強度を有する線上ビームが被照射物に照射される、レーザ加工装置。
【請求項２】
前記レーザ出力手段は、一つの前記レーザ光源から発振されたレーザ光を、複数本に分岐することにより複数のレーザ光を出力する、請求項１に記載のレーザ加工装置。
【請求項３】
前記光学系が、
複数のレーザ光のそれぞれを均一の強度に整形するホモジナイザと、
複数のレーザ光のそれぞれを長尺かつ長尺側発散光である長尺ビームに整形する、凹レンズおよび集光レンズを含むシリンドリカル光学系と
を備える、請求項１または２に記載のレーザ加工装置。
【請求項４】
前記長手方向に対して垂直方向に被照射物の上面を、前記マスクスリットを透過した複数の前記長尺ビームを相対的に走査させる移動手段をさらに備える、請求項１から３のいずれかに記載のレーザ加工装置。
【請求項５】
前記レーザ光源として、パルスレーザ光源を用い、前記マスクスリットを透過した複数の前記長尺ビームを長手方向に直線上に並べることにより形成される線状ビームを、被照射物の上面の前記長手方向に対して垂直方向に相対的に走査して被照射物に照射することによって、被照射物上に前記線状ビームの照射位置に対応した溝加工を複数回行なうレーザ加工装置であって、
パルスレーザ光の出力をＷ（Ｗ）、パルスエネルギをＪ（Ｊ／ｐｕｌｓｅ）、周波数をｆ（Ｈｚ）、複数の加工溝のピッチをＬ（ｍｍ）、加工溝の幅をａ（ｍｍ）、加工溝の長さをｂ（ｍｍ）とすると、
ｆ≦２０００／Ｌ  （１）式
Ｊ≧５．０×１０-3×(ａ×ｂ)  （２）式
前記（１）式および（２）式を満たすレーザ光を用いる、請求項４に記載のレーザ加工装置。
【請求項６】
前記加工溝のピッチＬがＬ≧５（ｍｍ）、前記加工溝の幅ａがａ≦０．１（ｍｍ）、前期加工溝の長さｂがｂ≦３０００（ｍｍ）であって、
前記周波数ｆがｆ≦４００（Ｈｚ）、かつ、前記パルスエネルギＪがＪ≧１．５（Ｊ／ｐｕｌｓｅ）であるレーザ光を用いる、請求項５に記載のレーザ加工装置。
【請求項７】
前記レーザ光源として、ランプ励起型の固体パルスレーザを用いる、請求項５または６に記載のレーザ加工装置。
【請求項８】
レーザ光源を含み、レーザ光を出力するレーザ出力手段と、
レーザ光を長尺状の長尺状ビームに整形する光学系と、
前記長尺状ビームの長手方向に対して垂直方向に被照射物の上面を、前記長尺状ビームを相対的に走査させる移動手段とを備え、
前記レーザ光源として、パルスレーザ光源を用い、前記長尺状ビームを被照射物の上面の前記長手方向に対して垂直方向に相対的に走査して被照射物に照射することによって、被照射物上に前記線状ビームの照射位置に対応した溝加工を複数回行なうレーザ加工装置であって、
パルスレーザ光の出力をＷ（Ｗ）、パルスエネルギをＪ（Ｊ／ｐｕｌｓｅ）、周波数をｆ（Ｈｚ）、複数の加工溝のピッチをＬ（ｍｍ）、加工溝の幅をａ（ｍｍ）、加工溝の長さをｂ（ｍｍ）とすると、
ｆ≦２０００／Ｌ  （１）式
Ｊ≧５．０×１０-3×(ａ×ｂ)  （２）式
前記（１）式および（２）式を満たすレーザ光を用いるレーザ加工装置。
【請求項９】
前記加工溝のピッチＬがＬ≧５（ｍｍ）、前記加工溝の幅ａがａ≦０．１（ｍｍ）、前期加工溝の長さｂがｂ≦３０００（ｍｍ）であって、
前記周波数ｆがｆ≦４００（Ｈｚ）、かつ、前記パルスエネルギＪがＪ≧１．５（Ｊ／ｐｕｌｓｅ）であるレーザ光を用いる、請求項８に記載のレーザ加工装置。
【請求項１０】
前記レーザ光源として、ランプ励起型の固体パルスレーザを用いる、請求項８または９に記載のレーザ加工装置。
【請求項１１】
薄膜太陽電池の半導体層、透明導電膜層および金属層のいずれかを被照射物として、線状の加工を施す際に用いられる、請求項５から１０のいずれかに記載のレーザ加工装置。
【請求項１２】
請求項１から１１のいずれかに記載したレーザ加工装置を用いて、被照射物にレーザ加工を施すことにより薄膜太陽電池素子を製造する、レーザ加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、レーザ加工装置に関し、特に、被照射物に線状のパターニング加工を施すレーザ加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、エネルギ資源の枯渇の問題をはじめとする地球環境問題などから、クリーンなエネルギの開発が望まれている。特に太陽電池を用いた太陽光発電は、太陽光エネルギを直接電気エネルギに変換するものであり、処理すべき廃棄物などをほとんど排出しない。そのため、太陽光発電は環境保全型の次世代エネルギ源として注目を集め、開発および実用化が進んでいる。
【０００３】
実用化されている種々の太陽電池の中でも半導体薄膜を用いた薄膜太陽電池は、バルク結晶系太陽電池と比較して省資源かつ省エネルギでの製造が可能であるため、低コスト化、量産化および大面積化に有利である。薄膜太陽電池の製造方法および薄膜太陽電池を開示した先行文献として、特許文献１がある。図１２は、薄膜太陽電池の一例を示した断面模式図である。図１２に示すように、薄膜太陽電池においては、ガラス基板などの透明絶縁基板１２０１の上面に短冊状の透明電極層１２０２が形成されている。プラズマＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition)法などにより半導体膜であるシリコン薄膜が透明電極層１２０２の上面に順次積層され、ｐ層、ｉ層およびｎ層の半導体層からなる短冊状の光電変換層１２０３が形成されている。さらに、光電変換層１２０３の上面に裏面電極層１２０４が形成されて、太陽電池セルが構成されている。透明電極層１２０２は、光電変換層１２０３で埋められた第１分離溝１２０５によって分離されている。光電変換層１２０３および裏面電極層１２０４は、第２分離溝１２０６によって分離されている。レーザ光などによるパターニング加工によって光電変換層１２０３が除去されたコンタクトライン１２０７に埋められている電極層を介して、隣り合うセル同士が電気的に直列に接続されている。このような構成の薄膜太陽電池は、絶縁透光性基板によってその表面の保護を図ることができる。また、ＳｎＯ2などを用いた耐プラズマ性透明導電膜が開発されて、プラズマＣＶＤ法によるアモルファスシリコン薄膜の製膜が可能となり、上記構成の薄膜太陽電池が現在の主流となっている。
【０００４】
この薄膜太陽電池は、たとえば以下のように作製される。まず、透明絶縁基板１２０１の上面に透明電極層１２０２を形成する。次に、レーザスクライブ法によって透明電極層１２０２の一部を除去することにより分離して、第１分離溝１２０５を形成する。複数に分離された透明電極層１２０２の上面に、プラズマＣＶＤ法を用いて非晶質半導体であるアモルファスシリコン薄膜からなるｐ層、ｉ層およびｎ層を順次積層して光電変換層１２０３を形成する。次に、レーザスクライブ法によって光電変換層１２０３の一部を除去することにより分離して、コンタクトライン１２０７を形成する。そのコンタクトライン１２０７を埋めるように光電変換層１２０３の上面側に裏面電極層１２０４を形成する。その後、レーザスクライブ法によって光電変換層１２０３および裏面電極層１２０４を分離して第２分離溝１２０６を形成する。
【０００５】
分離溝を形成する手段として用いられるレーザスクライブ法について説明する。図１３は、従来の、スポット状のレーザ光１３０２を被照射物に照射して溝加工を施している状態を示した平面図である。図１３に示すように、スポット状に集光したレーザ光１３０２を被照射物１３０１上の加工方向に一部重畳させながら走査することにより、被照射物の溝加工が行われる。このようなレーザスクライブ法は、たとえば、以下の条件により行なわれる。平均出力０．５〜１Ｗおよび周波数３ｋＨｚのＹＡＧ(Yttrium Aluminum Garnet)レーザをスポット径５０μｍ程度に集光させて、３００〜６００ｍｍ／ｓ程度の走査速度でレーザ光を掃引することにより溝加工を施す。スポット状のレーザ光１３０２を用いて加工を行なう場合、スポット径は溝幅１３０３に応じて制限を受ける。走査速度はスポット径と周波数により決定されるため、スポット径が制限されることにより走査速度も制限される。また、レーザ照射位置を何回も改行する必要があるため、加工時間を要しスループットが低くなる。さらに、スポット状レーザ光１３０２の一部を重複させながら被照射物上を走査して溝加工を行なうため、熱履歴の違いにより溝部の特性が不均一になるという問題があった。
【０００６】
上記の問題に対して、レーザ光を線状に整形して被照射物に照射することで、パターニング加工を行なう方法を開示した先行文献として、特許文献２がある。特許文献２に記載の加工方法では、レーザ光源として４００ｎｍ以下の波長のパルスレーザ、たとえば、ＡｒＦエキシマレーザが用いられる。このパルスレーザ光を幅が５０〜２００μｍ程度、長さが１００〜６００ｍｍ程度で、断面形状が線状となるように整形する。線状に整形されたレーザ光を、マスクを透過させて被照射物に照射することにより、線状の溝加工が行なわれる。図１４は、線状のレーザ光を用いて溝加工する方法を説明する概略図である。レーザ発振器１４０１から発振されたレーザ光は、光学系（ビームエキスパンダ）１４０２によって、図中の奥行き方向に長尺状の線状ビームに整形される。被照射物１４０３に対して、図中のＸ方向に線状ビームを照射しながら走査することにより、溝加工が行なわれる。スポット状レーザ光を用いて溝加工を行なう場合は、レーザ照射位置を二次元方向に走査する必要があるが、線状ビームを用いて溝加工を行なう場合は、一次元方向の走査のみにより溝加工を行なうことができるため、処理速度を向上させることができる。
【０００７】
しかし実際には、一般的な円形や矩形状のレーザ光を光学系を用いて線状に整形する場合、光学系に制限があるため線状ビームの長尺方向の長さは数百ｍｍ程度にまでしかできない。そのため、長尺方向の長さが１メートルを越える線状ビームを得ることは困難であった。この問題に対し、長尺状に整形された複数のビームを互いに連結して線状ビームとする、レーザ光の合成方法を開示した先行文献として、特許文献３がある。特許文献３に記載のレーザ光の合成方法では、光源から照射されたレーザ光を、面内強度分布が均一な長尺状レーザに整形する。この長尺状レーザ光を互いに平行な平面上の同一方向に複数照射し、各々の光路上に設けられた反射鏡により反射させる。同一平面上の同一方向に、互いに長尺方向の一部を重複して被照射物側に反射させることによって、長尺状レーザ光を一本の線状ビームに連結する。図１５は、長尺状レーザ光の合成方法を説明する模式図である。図１５に示すように、長尺状レーザ光１５０１は、反射鏡１５０４によって反射される。長尺状レーザ光１５０２は、反射鏡１５０５によって反射される。長尺状レーザ光１５０３は、反射鏡１５０６によって反射される。反射された長尺状レーザ光１５０１〜１５０３は、被照射物１５０７上において一本の線状ビームとなる。長尺状レーザ光１５０１および１５０２に着目すると、反射鏡１５０４により反射された長尺状レーザ光１５０１と隣接する長尺状レーザ光１５０２とが重複する部分は、反射鏡１５０５によって遮光される。この結果、長尺状レーザ光１５０１および１５０２は、切れ目および重複が生じることなく、同一平面で長尺方向に互いに連結される。
【特許文献１】特開２００６−３３２４５３号公報
【特許文献２】特公平６−５２７２７号公報
【特許文献３】特許第３２８６５３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献３に記載されたレーザ光の合成方法においては、隣接するレーザ光の重複する部分を反射鏡により遮光して排除している。この場合、レーザ光の回折が生じるため、レーザ光の継ぎ目部分近傍における照射強度分布が一様にならず、均質な溝加工を行なうことができない。また、反射鏡の保持に使用されるミラーホルダなどの構造体が反射鏡の周囲に配置されるため、レーザ光の継ぎ目に隙間が生じる可能性もある。さらに、隣り合う長尺状レーザ光の照射位置が長尺方向に対して垂直方向にずれる場合があり、この場合、反射鏡の角度を調整することにより被照射物上における照射位置の補正を行なう。そのため、被照射物に対してレーザ光が斜光照射されることになり、レーザ光の焦点がずれて、照射位置の微調整をすることが困難となる。この問題は、照射されるレーザ光が平行光でない場合には、より顕著になる。
【０００９】
この発明は上記課題を解決するためになされたものであり、長尺方向の長さが１ｍを越える、照射強度が均一な線上ビームを照射することができ、効率的なパターニング加工を行なうことができる、レーザ加工装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係るレーザ加工装置は、レーザ光源を含み、複数のレーザ光を出力するレーザ出力手段と、複数のレーザ光をそれぞれ、長尺かつ長尺側発散光である長尺ビームに整形する光学系と、長尺ビームをマスキングして所定の形状で透過させる複数のマスクスリットと、レーザ光が照射される被照射物の上面と平行な２次元方向に、マスクスリットを移動させるマスクスリット移動手段とを備える。マスクスリットはそれぞれ、各レーザ光の発散経路中において、隣り合うマスクスリット同士が長手方向を揃えて互いに間隔を隔てて配置され、マスクスリット移動手段によりマスクスリットを移動させることによって、被照射物上の長尺ビームの位置が調整され、隣り合う長尺ビームが互いに一部を重複して連結されることにより、均一な照射強度を有する線上ビームが被照射物に照射される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によると、複数のレーザ光をそれぞれ移動機構を備えたマスクスリットを介して被照射物に照射することにより、複数の長尺ビームを二次元的に調整しながら連結して、照射強度が均一で直線性の高い線状ビーム得ることができる。その線状ビームを被照射物に照射しながら走査することにより効率的にパターニング加工を行なうことができるレーザ加工装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明に基づいた実施の形態におけるレーザ加工装置ついて、図を参照しながら説明する。
【００１３】
実施の形態１
図１は、本発明の実施の形態１に係る、レーザ加工装置の構成を示した図であり、(Ａ)は模式図、(Ｂ)は斜視図である。本実施の形態では、図１に示すように、レーザ光源を備えたレーザ発振器１０１から発振されるレーザ光は、レーザ光制御手段１０２により照射タイミングを制御されている。発振されたレーザ光は、第１光学系１０３に入射して、複数のレーザ光に分岐される。本実施の形態においては、レーザ光を４本に分岐しているが、分岐する本数はこれに限られない。第１光学系１０３は、ビームスプリッタを備え、分岐された４本のレーザ光の照射出力が等しくなるように配置されている。４本に分岐されたレーザ光はそれぞれ、第２光学系１０４に入射し、長尺状の長尺ビームに整形されるとともに、長尺側発散光、かつ、長尺側と垂直方向の短軸側は収束光に整形される。
【００１４】
第２光学系１０４は、ビームエキスパンダ１０５、ホモジナイザ１０６およびシリンドリカル光学系１０７，１０８から構成されている。ビームエキスパンダ１０５は、ホモジナイザ１０６に適合するビームサイズにビーム径を調整するために設置されている。ホモジナイザ１０６は、レーザ光の強度分布を均一にするとともに、レーザ光の断面形状を四角形に整形する。シリンドリカル光学系１０７，１０８は、レーザ光の断面形状が長尺形状になるように整形し、凹レンズおよび集光レンズを含む。ホモジナイザ１０６は、平行光を出力するものが好ましく、たとえば、フジトク製ＤＦシリーズ、ＨＭシリーズなどから適切なものを選択して用いることができる。それぞれのレーザ光路には適宜、折り返しミラーを配置することも可能であり、配置した場合にはレーザ光を折り返すことができる。折り返しミラーの配置箇所と数量に制限はなく、レーザ照射装置の光学設計や機構設計に応じて、適宜配置することが可能である。
【００１５】
第２光学系１０４により長尺状の発散光に整形されたレーザ光は、マスクスリット１０９を介して、ステージ１１０上に載置された被照射物１１１に照射されて加工が施される。マスクスリット１０９はそれぞれ、各レーザ光の発散経路中において、隣り合うマスクスリット同士が長手方向を揃えて互いに間隔を隔てて配置されている。これらのマスクスリット１０９は移動手段を有し、図示しない外部制御コントローラにより動作制御される。マスクスリット１０９を被照射物１１１の上面と平行な２次元方向に移動させることにより、レーザ光の照射位置を調整することができる。
【００１６】
以下、複数の長尺ビームを連結する方法および照射位置の調整方法を詳説する。図２は、レーザ光がマスクスリットを介して被照射物に照射される状態を示した模式図である。図２に示すように、図示しない第２光学系により長尺側発散光に整形されたレーザ光は、移動機構を有するマスクスリット２０３，２０４を介して、被照射物２０５上に照射される。図３は、レーザ光の被照射物上の長尺方向における照射強度の分布を示した図である。図３に示すように、レーザ光の長尺方向における最大照射強度は第２光学系１０４により、均一に調整されている。長尺ビームは、マスクスリット２０３，２０４によりマスキングされて、所定の形状で透過して被照射物２０５上に照射される。被照射物上でのレーザ光の照射強度の分布は、マスクスリット２０３，２０４を透過したことによる回折の影響を受けるため、完全な矩形ではなく、端部がなだらかに逓減するプロファイルとなる。均一な照射強度を有する線状ビームを合成するためには、それぞれの長尺ビームの位置調整を行なうことにより、適宜適切に隣り合う長尺ビームの端部が重畳される必要がある。図４は、二つの長尺ビームの端部を適切に重畳した場合の、レーザ光の照射強度分布を示した図である。図４に示すように、隣り合う長尺ビームの端部を重畳することにより、連結された線状ビームの長尺方向の区間４０１において、均一なプロファイルを得ることが可能となる。この調整を、第２光学系により整形した長尺ビームの全てに行なうことにより、必要な長さの線状ビームが得られる。
【００１７】
図５は、マスクスリットにより長尺ビームの照射位置を調整する方法を説明する模式図である。図５（Ａ）は、位置調整を行なう前の長尺ビーム５０１，５０２の被照射物５０５面上における照射位置の一例を示した模式図である。図５(Ａ)に示すように、レーザ光の長尺方向をＸ方向、長尺方向に対して垂直方向をＹ方向とすると、長尺ビーム５０１，５０２は、互いにＸ，Ｙ方向の両方ともずれが発生している。このような状態の長尺ビームを互いに連結するためには、それぞれの照射位置を調整する必要がある。図５（Ｂ）は、マスクスリットの位置調整を示した模式図である。図５(Ｂ)に示すように、マスクスリット５０３を＋Ｘ方向および＋Ｙ方向に移動させることにより、被照射物５０５上でのレーザ光の照射位置を微調整する。マスクスリット５０３は、微動ステージと、図示しない外部制御コントローラとにより移動制御され、長尺ビーム５０１，５０２が互いに連結されて所定の形状および照射強度分布となるように調整される。図５（Ｃ）は、位置調整を行なった後の長尺ビーム５０１，５０２の被照射物５０５面上における照射位置を示した模式図である。図５(Ｃ)に示すように、長尺ビーム５０１，５０２を互いに一部を重複させて、長尺方向に連結させることにより線状ビームが合成される。
【００１８】
このときの被照射物５０５上における、長尺方向の照射強度分布は前述の図４に示したように、連結された区間４０１内で均一となる。この照射強度分布の均一性は、照射強度の平均値±１０〜１５％のレンジに調整することが望ましい。照射強度分布をこの範囲内に調整することにより、パターニング加工に必要なエネルギの閾値を超えていて、かつ、加工領域の下方に存在する基板などに熱ダメージを与えることのない、照射強度のレーザ光で加工を行なうことができる。実際に照射強度を計測する方法として、たとえば、パワーメータを用いて、区間４０１内における照射強度の分布を計測する方法がある。
【００１９】
本実施の形態においては、一つのマスクスリットを移動させて、照射位置の調整を行なう例を示したが、複数のマスクスリットを移動させて、長尺ビームの連結を行なう際には、移動させるマスクスリットを適宜選択して、照射位置調整を行なう。マスクスリットは長尺方向に発散するレーザ光の経路中に配置されるため、隣り合うマスクスリット同士の間隔を十分に確保することができる。そのため、マスクスリットを移動させる際に、マスクスリット同士が干渉することなく自由に調整することができる。よって、照射強度が均一な線状ビームを容易に得ることが可能となる。仮に、長尺ビームが平行光であった場合は、隣り合うマスクスリット同士が干渉してしまうため、マスクスリットを配置することができない。上述のように、各レーザ光の発散経路中にマスクスリットを配置し、そのマスクスリットの位置を二次元的に移動させて調整することにより、被照射物上に照射される長尺ビームを一部が重複するように連結した線状ビームを合成することができる。このように線状ビームを合成することにより、従来のビーム連結方法のように、折り返しミラーの角度調整を行なう必要がないため、照射強度の均一性および直線性の優れた線状ビームが得られる。
【００２０】
実施の形態２
図６は、本発明の実施の形態２に係る、レーザ加工装置の構成を示した模式図である。本実施の形態では、図６に示すように、４つのレーザ発振器６０１〜６０４から発振されたそれぞれのレーザ光の発散経路中にマスクスリット６０６を配置している。そのマスクスリット６０６の位置を二次元的に移動させて調整することにより、被照射物上に照射される長尺ビームを一部が重複するように連結した線状ビームを合成することができる。レーザ光を長尺状かつ発散光に整形する光学系６０５、および、マスクスリット６０６の構成は、実施形態１と同様であるため説明は省略する。また、マスクスリット６０６を移動させて、長尺ビームの照射位置を調整する方法についても実施形態１と同様であるため、説明を省略する。本実施の形態では、レーザ発振器を４つ配置したが、レーザ発振器の数は複数であればよい。
【００２１】
本実施形態においても実施形態１と同様に、複数の長尺ビームの照射位置を調整しながら連結することにより、照射強度の均一な線上ビームを得ることが可能となる。また、マスクスリットをそれぞれ、長尺方向に発散するレーザ光路中に配置することによって、隣り合うマスクスリット同士の間隔を十分に確保することができる。そのため、マスクスリットを移動する際に、マスクスリット同士が干渉することなく自由に調整することができる。合成される線上ビームの長さが長い場合には、このように複数のレーザ光源を用いてもよい。
【００２２】
実施の形態３
図７は、本発明の実施の形態３に係る、レーザ加工装置の構成を示した模式図である。本実施の形態では、図７に示すように、ステージ７１１は、ステージ動作を制御することができるコントローラ７１２が備えられている。その他の構成については、実施形態１と同様であるため、説明を省略する。本実施形態においても実施形態１と同様に、複数の長尺ビームの照射位置を調整しながら連結することにより、照射強度の均一な線上ビームを得ることが可能となる。また、マスクスリットをそれぞれ、長尺方向に発散するレーザ光路中に配置することによって、隣り合うマスクスリット同士の間隔を十分に確保することができる。そのため、マスクスリットを移動する際に、マスクスリット同士が干渉することなく自由に調整することができる。また、マスクスリット７０９を移動させて、長尺ビームの照射位置を調整する方法についても実施形態１と同様であるため、説明を省略する。
【００２３】
被照射物７１０は、ステージ７１１上に載置されている。コントローラ７１２は、たとえば、マスクスリット７０９の長手方向に対して直角方向に、線上ビームの照射が適切な速度で走査するようにステージ７１１を移動させる。線状ビームに対するステージ７１１の相対的な移動速度は、最大で２０００ｍｍ／ｓ程度である。また、ステージ７１１を固定して、照射される線状レーザが被照射物７１０上を走査することによって、相対的な照射位置が移動する構成にしてもよい。
【００２４】
図８は、本実施の形態に係る、レーザ加工装置の構成の概略を示した斜視図である。図８に示すように、本実施の形態に係るレーザ加工装置は、レーザ発振器が８０１、第１光学系８０２、第２光学系８０３およびマスクスリット８０４を備えている。さらに、被照射物８０５上にレーザ光を照射するために、レーザ光の光路中に折り返しミラー８０６，８０７が配置されている。
【００２５】
被照射物として薄膜太陽電池の半導体層に溝加工を行なう場合には、たとえば、加工溝の幅が２０μｍ程度、加工溝のピッチが１５ｍｍ程度の加工を行なう必要がある。また、マスクスリット８０４の長手方向における被照射物８０５の長さは、基板の大型化が進んでいる実情を鑑みて、たとえば、１０００ｍｍ程度である。レーザ発振器８０１から照射されたレーザ光は、折り返しミラー８０６により折り返されて第１光学系８０２に入射する。レーザ光は、第１光学系８０２によって４つに分岐されて第２光学系に入射する。第２光学系８０３により、長尺状の発散光に整形されたレーザ光は、マスクスリット８０４を介して被照射物８０５上に照射される。長尺状に整形されたそれぞれのビームは、被照射物８０５上において長尺方向の長さが略２５０ｍｍ、長尺方向に対して垂直方向の長さが略２０μｍとなるように調整されている。これらの４本の長尺ビームを連結することによって、基板サイズに相当する略１０００ｍｍの長さの線状ビームが合成される。
【００２６】
本実施の形態においては、レーザ発振器８０１として、ランプ励起型の固体レーザであるＹＡＧレーザにおいてＳＨＧ(Second-Harmonic Generation)が発生したものを用いた。レーザ光の発振周波数は１０Ｈｚ、出力は１．４Ｊ／ｐｕｌｓｅとした。たとえば、Ｓｐｅｃｔｒａ−Ｐｈｙｓｉｃｓ社製のＰＲＯ−３５０−１０−５３２をレーザ発振器８０１に用いてもよい。被照射物８０５を載置したステージが、たとえば、１００ｍｍ／ｓの速度で移動することにより、線状ビームが被照射物８０５上を走査する。
【００２７】
図９は、本実施の形態に係る、レーザ加工装置を用いて作製した薄膜太陽電池の構造を示した断面図である。図９(Ａ)に示すように、被照射物９０１は、たとえば、ガラス基板９０２上に、ＩＴＯ(酸化インジウムスズ)またはＳｎＯ2などから構成される透明電極層９０３が形成されている。透明電極層９０３は、短冊状にパターニング加工されている。プラズマＣＶＤ法などにより、下方から順に、水素化アモルファスシリコン系半導体などで構成されるｐ層９０４、ノンドープの水素化アモルファスシリコン系半導体などで構成されるｉ層９０５、および、水素化アモルファスシリコン系半導体などから構成されるｎ層９０６が形成されている。これらのｐ層９０４、ｉ層９０５およびｎ層９０６の半導体層から光電変換層が構成される。半導体層は、微結晶シリコンまたはその他の半導体材料から形成されてもよく、タンデム化されていてもよい。
【００２８】
図９(Ｂ)，(Ｃ)に示すように、被照射物９０１上に線状ビームが照射されることにより、光電変換層１１０３となる半導体層に溝加工が施され、コンタクトライン１００７が形成される。この結果、光電変換層１１０３となる半導体層が分離される。次に、裏面電極層９０７が光電変換層１１０３の上方からコンタクトライン１００７を埋めるように形成される。この状態の被照射物に線状ビームを照射することにより、光電変換層１１０３および裏面電極層９０７に溝加工が施されて分離されることにより、薄膜太陽電池が作製される。
【００２９】
図１０は、本実施の形態に係る、レーザ加工装置を用いたパターニング加工の一例を示した模式図である。レーザ光源としてパルスレーザ光源を用い、マスクスリットを透過した複数の長尺ビームを長手方向に直線上に並べることにより形成される線状ビームを用いて溝加工が行なわれる。レーザ光の照射条件および加工条件において、パルスレーザの出力をＷ（Ｗ）、パルスエネルギをＪ（Ｊ／ｐｕｌｓｅ）、周波数をｆ（Ｈｚ）、加工溝のピッチをＬ（ｍｍ）、加工溝幅をａ（ｍｍ）、加工溝の長さをｂ（ｍｍ）とする。単位面積当たりの被照射物を加工するのに必要なパルスエネルギ密度をＪdm（Ｊ／ｍｍ2）とする。また、ステージおよび被照射物とレーザ光との相対的移動速度をｖ（ｍｍ／ｓ）、レーザ発振器の定格出力をＷMAXとすると、次式が成り立つ。
Ｊ≧Ｊdm×(ａ×ｂ)  （１−１）式
ｖ＝Ｌ×ｆ  （１−２）式
Ｗ＝Ｊ×ｆ≦ＷMAX  (１−３）式
また、安全率（定数）をα（≧１）、単位時間当たりの面積加工速度をｖsと（ｍｍ2／ｓ）定義すると、上記の式は次のように表される。
Ｊ＝α×Ｊdm×(ａ×ｂ)  （１−４）式
ｖs＝ｂ×ｖ＝１／αＪdm×Ｌ／ａ×Ｗ＝１／αＪdm×Ｌ／ａ×(Ｊ×ｆ)  (１−５）式
【００３０】
レーザ加工の効率を上げてスループットを高めるためには、ｖsを大きくする必要がある。レーザ発振器の定格出力ＷMAXを所与とすれば、（１−５）式に示すように、Ｗを大きくすれば、ｖsを大きくすることができる。そのため(１−３）式に示すように、Ｗ＝ＷMAX＝Ｊ×ｆを満たす照射条件に設定することが考えられる。しかし、加工条件によって、パルスエネルギＪと周波数ｆに制限が設けられる。
【００３１】
以下、図１０に示すように、被照射物上を線状ビームが相対的に、長手方向に対して垂直方向に移動速度ｖで走査して溝加工を行なった場合について説明する。たとえば、加工溝のピッチＬが１０ｍｍの場合、（１−２）式に示したように以下の関係が成り立つ。
ｖ＝１０×ｆ  （１−６）式
ここで、ステージおよび被照射物とレーザ光との相対的移動速度ｖは、その重量などの影響により、２０００ｍｍ／ｓ程度が限界である。そのため、（１−６）式から、２００Ｈｚより高い周波数ではレーザ加工を行なうことができないことになる。一方、大きな被照射物を加工する場合には、加工溝の長さｂを大きくする必要があるため、（１−１）式より、パルスエネルギＪは可能な限り大きいことが望ましい。そのため、（１−３）式より、一定の出力Ｗに対して、比較的低い周波数で、高パルスエネルギのレーザ光を用いることが好ましい。
【００３２】
ステージおよび被照射物とパルスレーザ光との相対的移動速度ｖの上限をｖMAXとすると、（１−２）式において以下の制限が設けられる。
ｖ＝Ｌ×ｆ≦ｖMAX  （１−７）式
ｖMAX＝２０００ｍｍ／ｓであるため、周波数ｆは、
ｆ＝ｖMAX／Ｌ＝２０００／Ｌ  (１)式
を満たす必要がある。
また、レーザ加工に必要なパルスエネルギ密度Ｊdmは、５．０×１０-3Ｊ／ｃｍ2以上必要であるため、パルスエネルギＪは、
Ｊ≧５．０×１０-3×(ａ×ｂ)  （２）式
を満たす必要がある。
【００３３】
以上の(１)式および(２)式を満たすレーザ照射条件により、周波数ｆを低く設定して、高パルスエネルギのレーザ光を用いることにより、定格出力ＷMAXを最大限に活かした効率的な加工を行なうことができる。図１０に示したように、加工幅ａに対して加工溝のピッチＬが大きいパターニング加工を行なう場合は、周波数を低く、加工溝長さを長くすることができるため、上記(１)，(２)式を満たすレーザ照射条件がより適している。このような加工を行う場合のレーザ光源として、低周波数、かつ、高パルスエネルギであるランプ励起型の固体パルスレーザが適している。また、ランプ励起型の固体レーザは、レーザダイオード励起型の固体レーザなどと比較して廉価であるため経済的にも優れている。なお、被照射物としては、様々なものに適用することができ、薄膜太陽電池の半導体層、透明導電膜層および金属層のいずれにも線状の加工を施すことが可能である。上記のように、本実施の形態に係るレーザ加工装置を用いて、被照射物にレーザ加工を施すことにより薄膜太陽電池素子を製造することができる。
【００３４】
実際に薄膜太陽電池を製造する場合、被照射物に施すパターニング条件は、たとえば、複数の加工溝のピッチＬがＬ≧５（ｍｍ）、加工溝幅ａがａ≦０．１（ｍｍ）、加工溝の長さｂがｂ≦３０００（ｍｍ）である。この場合、上記(１)，(２)式を満たすレーザ照射条件として、周波数ｆがｆ≦４００（Ｈｚ）、かつ、パルスエネルギＪがＪ≧１．５（Ｊ／ｐｕｌｓｅ）のレーザ光を用いてパターニング加工を行なう。このように加工を行なうことで、エネルギ的および時間的に効率的なパターニング加工を行なうことが可能となる。
【００３５】
実施の形態４
図１１は、本発明の実施の形態４に係る、レーザ加工装置の構成を示した斜視図である。本実施形態に係るレーザ加工装置においては、図１１に示すように、一つのレーザ発振器１００１から発振されたレーザ光が、光学系１００２によって長尺状に整形されて、被照射物１００３に照射される。光学系１００２の構成は、実施形態１と同様にしてもよい。実施形態３と同様に、長尺状ビームをその長手方向に対して垂直方向に、被照射物の上面を相対的に走査させることによって、被照射物にパターニング加工を施す。このように加工を施すことにより、効率的なレーザ加工を行なうことが可能となる。本実施形態においては、一つの長尺ビームにより溝加工を行なうため、マスクスリットによる照射位置の調整が不要となり、装置の簡易化が図れる。
【００３６】
実施形態３と同様に、薄膜太陽電池のパターニング加工を行なう場合においては、（１），（２）式を満たす、低周波数、かつ、高パルスエネルギのレーザ光源を用いるとよい。このような加工を行う場合のレーザ光源として、低周波数、かつ、高パルスエネルギであるランプ励起型の固体パルスレーザが適している。また、ランプ励起型の固体レーザは、レーザダイオード励起型の固体レーザなどと比較して廉価であるため経済的にも優れている。なお、被照射物としては、様々なものに適用することができ、薄膜太陽電池の半導体層、透明導電膜層および金属層のいずれにも線状の加工を施すことが可能である。本実施の形態に係る、レーザ加工装置を用いて、被照射物にレーザ加工を施すことにより薄膜太陽電池素子を製造することができる。
【００３７】
実際に薄膜太陽電池を製造する場合、被照射物に施すパターニング条件は、たとえば、複数の加工溝のピッチＬがＬ≧５（ｍｍ）、加工溝幅ａがａ≦０．１（ｍｍ）、加工溝の長さｂがｂ≦３０００（ｍｍ）である。この場合、上記(１)，(２)式を満たすレーザ照射条件として、周波数ｆがｆ≦４００（Ｈｚ）、かつ、パルスエネルギＪがＪ≧１．５（Ｊ／ｐｕｌｓｅ）のレーザ光を用いてパターニング加工を行なう。このように加工を行なうことで、エネルギ的および時間的に効率的なパターニング加工を行なうことが可能となる。
【００３８】
なお、今回開示した上記実施の形態はすべての点で例示であって、限定的な解釈の根拠となるものではない。したがって、本発明の技術的範囲は、上記した実施の形態のみによって解釈されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて画定される。また、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の実施の形態１に係る、レーザ加工装置の構成を示した図であり、(Ａ)は模式図、(Ｂ)は斜視図である。
【図２】レーザ光がマスクスリットを介して被照射物に照射される状態を示した模式図である。
【図３】レーザ光の被照射物上の長尺方向における照射強度の分布を示した図である。
【図４】二つの長尺ビームの端部を適切に重畳した場合の、レーザ光の照射強度分布を示した図である。
【図５】（Ａ）は、位置調整を行なう前の長尺ビームの被照射物上における照射位置の一例を示した模式図、（Ｂ）は、マスクスリットの位置調整を示した模式図、（Ｃ）は、位置調整を行なった後の長尺ビームの被照射物上における照射位置を示した模式図である。
【図６】本発明の実施の形態２に係る、レーザ加工装置の構成を示した模式図である。
【図７】本発明の実施の形態３に係る、レーザ加工装置の構成を示した模式図である。
【図８】同実施の形態に係る、レーザ加工装置の構成の概略を示した斜視図である。
【図９】同実施の形態に係る、レーザ加工装置を用いて作製した薄膜太陽電池の構造を示した断面図である。
【図１０】同実施の形態に係る、レーザ加工装置を用いたパターニング加工の一例を示した模式図である。
【図１１】本発明の実施の形態４に係る、レーザ加工装置の構成を示した斜視図である。
【図１２】薄膜太陽電池の一例を示した断面模式図である。
【図１３】従来の、スポット状のレーザ光を被照射物に照射して溝加工を施している状態を示した平面図である。
【図１４】線状のレーザ光を用いて溝加工する方法を説明する概略図である。
【図１５】長尺状レーザ光の合成方法を説明する模式図である。
【符号の説明】
【００４０】
１０１，６０１，６０２，６０３，６０４，７０１，８０１，１００１，１３０１，１４０１  レーザ発振器、１０２，７０２  レーザ光制御手段、１０３，１０４，６０５，７０３，７０４，８０２，８０３，１００２，１４０２  光学系、１０５，７０５  ビームエキスパンダ、１０６，７０６  ホモジナイザ、１０７，１０８，７０７，７０８  シリンドリカル光学系、１０９，２０３，２０４，５０３，５０４，７０９，８０４  マスクスリット、１１０，６０６，７１１  ステージ、１１１，２０５，５０５，７１０，８０５，９０１，１００３，１３０１，１４０３，１５０７  被照射物、２０１，２０２，５０１，５０２  長尺ビーム、４０１  区間、７１２  コントローラ、８０６，８０７  折り返しミラー、９０２  ガラス基板、９０３，１２０２  透明電極層、９０４  ｐ層、９０５  ｉ層、９０６  ｎ層、９０７，１２０４  裏面電極層、１１０３，１２０３  光電変換層、１２０１  透明絶縁基板、１００５，１２０５  第１分離溝、１００６，１２０６  第２分離溝、１００７，１２０７  コンタクトライン、１３０２  スポット状レーザ光、１３０３  溝幅、１５０１，１５０２，１５０３  長尺状レーザ光、１５０４，１５０５，１５０６  反射鏡。
【図１】
2010105012.tif 000003
【図２】
2010105012.tif 000004
【図３】
2010105012.tif 000005
【図４】
2010105012.tif 000006
【図５】
2010105012.tif 000007
【図６】
2010105012.tif 000008
【図７】
2010105012.tif 000009
【図８】
2010105012.tif 000010
【図９】
2010105012.tif 000011
【図１０】
2010105012.tif 000012
【図１１】
2010105012.tif 000013
【図１２】
2010105012.tif 000014
【図１３】
2010105012.tif 000015
【図１４】
2010105012.tif 000016
【図１５】
2010105012.tif 000017